岳 鵬，韓曉莉

(1.山西大平煤業(yè)有限公司，山西 長治 046203；2.山西惠豐特種汽車有限公司，山西 長治 046203)

煤炭自燃是影響礦工生命安全和煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要威脅之一[1]。目前多采用注氮?dú)?、凝膠、黃泥漿等方法防治煤炭自燃。其中，注液態(tài)CO2的防治方法近年來受到較多關(guān)注。二氧化碳的比重比空氣大，所以當(dāng)CO2注入采空區(qū)后可快速沉積于底板，隔絕煤表面的氧氣，阻止煤氧化自燃，針對采空區(qū)抑制遺煤氧化自燃效果相對更好。本文以大平礦3111采煤面采空區(qū)為例，介紹了液態(tài)CO2防滅火裝置及其應(yīng)用參數(shù)，測定了其防治煤自燃的效果，為其他采空區(qū)類似條件防滅火工作提供了參考。

1 3111采煤工作面概況

山西大平煤礦井田屬于山西沁水煤田，煤礦可采儲量為3 582萬t。3111工作面煤層傾斜和走向長度分別為192 m和1 670 m，厚度為6.19 m，面積為320 640 m2，全煤，局部含1層0.1～0.2 m的夾矸。采用工作面運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷回風(fēng)的上行U型通風(fēng)方式。走向長壁綜采一次采全高后退式回采，頂板全部冒落。煤種為貧煤，水分為0.72%，灰分為14.25%，揮發(fā)分為14.75%，硫分為0.31%，發(fā)熱量為35.12 MJ/kg(不含頂、底矸和夾矸)。

2 二氧化碳防滅火技術(shù)

2.1 二氧化碳防滅火機(jī)理

二氧化碳在常溫、常壓下是無色略帶酸味的窒息性氣體，它在不同的壓力、溫度條件下有氣、液、固三種形態(tài)，不燃燒，不助燃，當(dāng)空氣中二氧化碳的濃度超過29.2%時(shí)，就能使燃燒熄滅；熔點(diǎn)-56.6 ℃(526.9 kPa)，臨界溫度31.3 ℃，臨界壓力為7 376.5 kPa[2]。液態(tài)CO2防滅火技術(shù)就是借助液態(tài)CO2汽化后本身的氣體壓力輸送至防滅火的區(qū)域，利用CO2的防滅火性能對火區(qū)進(jìn)行降溫和惰化[3]。液態(tài)CO2的性質(zhì)見表1。

表1 液態(tài)CO2基本特征

2.2 滅火注二氧化碳流量

用于撲滅火區(qū)的CO2氣量主要取決于發(fā)火區(qū)域的幾何形狀、空間大小、漏風(fēng)量、火源范圍和燃燒時(shí)間的長短等因素[4]。

1) 撲滅巷道火災(zāi)所需CO2氣量主要按空間量及漏風(fēng)量計(jì)算，試驗(yàn)表明，滅火用CO2量為空間體積的1.5倍。

2) 采空區(qū)根據(jù)氧氣濃度計(jì)算撲滅采空區(qū)火災(zāi)所需CO2氣量，按下式進(jìn)行估算[4]：

式中：QCO2為注CO2量，m3；V0為火區(qū)體積，m3；C1為火區(qū)原始氧濃度，取12%；C2為注CO2區(qū)域達(dá)到的氧濃度，取5%.

2.3 注CO2防滅火裝備

液態(tài)CO2汽化灌注裝備由特制液體二氧化碳運(yùn)輸掛車、礦用空氣加熱式液態(tài)二氧化碳汽化器、礦用氣電式液體加熱式汽化器等設(shè)備組成[5]。液態(tài)CO2經(jīng)空氣加熱式汽化器和氣電式液體加熱式汽化器兩步氣化后充分汽化成為氣體，再經(jīng)過變壓、穩(wěn)壓過程使其成為可灌充的氣態(tài)CO2，再經(jīng)管道注入井下，實(shí)現(xiàn)滅火的目的。

圖1 煤礦用液態(tài)CO2汽化灌注裝備

工作原理是利用液體二氧化碳在減壓提溫的情況下，會(huì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。調(diào)壓穩(wěn)壓裝置則是把氣體二氧化碳從高壓力轉(zhuǎn)換成較低壓力，并穩(wěn)定此壓力以符合井下有關(guān)管道的壓力要求(見表2)。

表2 注CO2裝置技術(shù)特征

該裝備可使液態(tài)二氧化碳從地面實(shí)施井下防滅火。由化工廠調(diào)來的液體二氧化碳，通過轉(zhuǎn)貯、汽化、穩(wěn)壓過程，轉(zhuǎn)換成適度壓力的氣態(tài)二氧化碳，然后依靠煤礦地面通入井下的有關(guān)管道注入井下火區(qū)或高溫點(diǎn)，達(dá)到抑制瓦斯爆炸、防止火勢蔓延撲滅火災(zāi)的目的。該裝置產(chǎn)氣量大，每小時(shí)可往井下灌注3 000 m3二氧化碳?xì)怏w，操作簡便、安全且原料成本低。

2.4 井下注二氧化碳設(shè)備及數(shù)量

1) 工作流程：利用上述液態(tài)二氧化碳運(yùn)輸裝置將灌裝液態(tài)二氧化碳運(yùn)至井口，利用移動(dòng)式防滅火裝置運(yùn)送至工作面運(yùn)輸巷，利用原注氮管路與CPW-2.0礦用移動(dòng)式液態(tài)二氧化碳防滅火裝置連接，每20 m設(shè)1個(gè)三通撥頭，當(dāng)三通撥頭進(jìn)入工作面采空區(qū)后，即開始灌注液態(tài)CO2。

2) 主要參數(shù)：液態(tài)CO2溫度：-26～-30 ℃；液態(tài)二氧化碳灌注設(shè)備出口壓力：0.8～2.0 MPa；流量：0.5～4.0 t/h；最大耐壓：3 MPa；出口溫度：-30～-20 ℃；輸送距離：>2 km。二氧化碳灌注流量大，對采空區(qū)內(nèi)部煤炭自燃隔絕氧氣及降溫效果明顯。操作時(shí)直接向采空區(qū)內(nèi)灌注液態(tài)二氧化碳，利用其汽化過程中的壓力沿管路壓入防滅火區(qū)域。壓注量為1.0 t/h，至工作面回采結(jié)束共灌注146車，累計(jì)292 t，向采空區(qū)共灌注了186 880 m3氣態(tài)CO2。

3 滅火效果分析

向3111工作面采空區(qū)灌注液態(tài)CO2后，用采空區(qū)鋪設(shè)的束管監(jiān)測系統(tǒng)測定了采空區(qū)在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷一氧化碳和氧氣的濃度。監(jiān)測結(jié)果顯示，采空區(qū)內(nèi)部靠近進(jìn)風(fēng)巷的氧氣濃度隨束管深度的增加而減小，深度為30～66 m時(shí)O2濃度為18%～10%，屬于氧化自燃帶，超過66 m為窒息帶；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化帶范圍為10～32 m，窒息帶范圍為32 m之后。未灌注液態(tài)CO2時(shí)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)59～105 m處為氧化帶，深度超過105 m處為窒息帶；采空區(qū)回風(fēng)側(cè)40～81 m為自燃帶，81 m之后為窒息帶。可以看出，灌注液態(tài)CO2以后，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度減少了10 m，而回風(fēng)側(cè)則減少了19 m，顯著縮小了自燃發(fā)火范圍。

4 結(jié) 語

液態(tài)CO2方便運(yùn)輸，汽化后能夠快速沉積，隔絕底板處煤與氧氣，快速阻止煤炭自燃。本文研究了液態(tài)二氧化碳防滅火裝備工況參數(shù)，并向采空區(qū)灌注液態(tài)CO2，實(shí)際測定其防滅火效果。測試結(jié)果表明，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度與未采取任何措施時(shí)相比減少了10 m，回風(fēng)側(cè)減少了19 m，氧化自燃發(fā)火范圍顯著降低。